CN109164047A - 基于自旋轨道耦合的集成光学双通道折射率传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自旋轨道耦合的集成光学双通道折射率传感器。包括第一探测器、第二探测器、半导体激光器、传感器探头，半导体激光器位于天线正下方将激光照射在天线阵列，天线阵列产生±1级衍射级次，构成了折射率传感的两个通道，分别利用第一探测器和第二探测器探测两个通道的光强，对比两个通道光强对液体折射率的差异性响应实现折射率的双通道传感。本发明进一步减小双通道光学传感器的尺度的同时，能够有效提高光学传感器的信噪比和抗干扰能力。

Description

基于自旋轨道耦合的集成光学双通道折射率传感器
技术领域
本发明涉及一种传感器，更具体的涉及一种基于自旋轨道耦合的集成光学双通道折射率传感器。
背景技术
随着现代光学小型化、低功耗的发展趋势，超小型光学传感器作为现代集成光学信息系统的最前端，对整个集成信息系统的性能起着决定性的作用。同时由于超小型光学传感器的抗干扰、点测量、重量轻、功耗低、隐蔽性强等特点，在生物、医药、环境监测、国防等领域都有着重要的应用，也是未来传感器发展的重要趋势之一。目前的光学传感器根据通道个数可分为单通道和双通道，其中双通道光学传感器通过参考臂和测量臂两个测量通道的对比，能够有效减小光源功率漂移及外界震动对传感的影响，提高传感器的信噪比。但目前的双通道传感系统在提高系统的集成度、稳定性、使用寿命，降低成本等方面仍然面临了巨大的挑战和研究潜力。本发明以自旋轨道耦合和光与物质相互作用为基础，提供了一种集成光学双通道折射率传感方法。
发明内容
1、发明目的。
本发明提出了一种基于自旋轨道耦合的集成光学双通道折射率传感器，以解决光源功率漂移或外界震动影响传感器精度的问题。
2、本发明所采用的技术方案。
本发明提出了一种基于自旋轨道耦合的集成光学双通道折射率传感器天线，包括两种纳米金属天线，每行为多个天线，第一/二种纳米金属天线从左到右依次逆(或顺)时针旋转180°/n，n(n≥3)为每种天线在一个周期内的个数；，第一种为棒状天线，第二种为工形结构天线，且上下两种纳米金属天线的长轴相差一定角度。
更进一步，相同结构的纳米金属天线在x方向构成了梯度光栅，梯度光栅的方法能够产生强的自旋轨道耦合使不同的自旋分量发生空间分离，在±1级得到不同的自旋分量。
从而使两个测量通道光强随液体折射率的差异性响应，从而使双通道光强比值随液体折射率增大呈线性变化，实现高集成度的光学双通道折射率传感。两种不同结构的纳米天线构成，两个测量通道，即±1级衍射级次的电场由不同类型纳米金属天线A和B辐射的相同自旋分量叠加而成，两个通道的电场分别表示为：
其中，A和B分别代表两种纳米光学天线的极化强度；[1，±i]分别代表不同自旋分量的基矢，即对应于左/右旋圆偏振；φ±1分别对应±1级衍射级次两种纳米光学天线辐射场之间的相位差，分别表示为：
φ-1＝-2θ+Ω(n)
φ+1＝2θ+Ω(n)
其中±2θ表示自旋轨道耦合引起的相位差，属于几何相位，它只与上下两行天线之间的夹角θ有关，而Ω(n)表示A/B两种天线辐射场与液体折射率n相关的相位差，属于动力学相位，它是由两种纳米金属天线结构不同使其电场极化对外界环境的不同响应引起的，通过设置参数(A，B，θ)，±1级衍射级次的电场强度随Ω(n)的变化趋势相反。
本发明提出了一种集成光学双通道折射率传感器天线阵列，包括所述的天线周期，按照横向、纵向平行排布。
本发明提出了一种集成光学双通道折射率传感器探头，由刻蚀在二氧化硅衬底上的如上所述的天线或天线阵列构成。
本发明提出了一种集成光学双通道折射率传感器，包括第一探测器、第二探测器、半导体激光器、所述的传感器探头，半导体激光器位于天线正下方将激光照射在天线或天线阵列，天线或天线阵列产生±1级衍射级次，构成了折射率传感的两个通道，分别利用第一探测器和第二探测器探测两个通道的光强，对比两个通道光强对液体折射率的差异性响应实现折射率的双通道传感。
3、本发明所产生的技术效果。
(1)本发明提出了一种天线及天线阵列，产生了±1级衍射级次。
(2)本发明提出了一种传感探头产生了±1级衍射级次，并能够传输形成双通道。
(3)本发明提出的传感器，对比两个通道光强对液体折射率的差异性响应实现折射率的双通道传感，该方法在进一步减小双通道光学传感器的尺度的同时，能够有效提高光学传感器的信噪比和抗干扰能力。
附图说明
图1.集成光学双通道折射率传感器结构图。
图2.传感探头天线及天线阵列结构平面示意图。
图3.传感探头天线及天线阵列±1级衍射级次强度及对应偏振示意图。
图4.正负一级衍射级次光强比值与液体折射率的变化关系示意图。
具体实施方式
实施例1
如图2所示，本发明提出的一种基于自旋轨道耦合的集成光学双通道折射率传感器天线，包括两种纳米金属天线，每行为多个天线，第一/二种纳米金属天线从左到右依次逆(或顺)时针旋转180°/n，n(n≥3)为每种天线在一个周期内的个数；第一种为棒状天线，第二种为工形结构天线，且上下两种纳米金属天线的长轴相差θ角。
相同结构的纳米金属天线在x方向构成了梯度光栅，梯度光栅的方法能够产生强的自旋轨道耦合使不同的自旋分量发生空间分离，在±1级得到不同的自旋分量。
两种不同结构的纳米天线构成，两个测量通道，即±1级衍射级次的电场由不同类型纳米金属天线A和B辐射的相同自旋分量叠加而成，两个通道的电场分别表示为：
其中，A和B分别代表两种纳米光学天线的极化强度；[1，±i]分别代表不同自旋分量的基矢，即对应于左/右旋圆偏振；φ±1分别对应±1级衍射级次两种纳米光学天线辐射场之间的相位差，分别表示为：
φ-1＝-2θ+Ω(n)
φ+1＝2θ+Ω(n)
其中±2θ表示自旋轨道耦合引起的相位差，属于几何相位，它只与上下两行天线之间的夹角θ有关，而Ω(n)表示A/B两种天线辐射场与液体折射率n相关的相位差，属于动力学相位，它是由两种纳米金属天线结构不同使其电场极化对外界环境的不同响应引起的，通过设置参数(A，B，θ)，±1级衍射级次的电场强度随Ω(n)的变化趋势相反。从而使两个测量通道光强随液体折射率的差异性响应，从而使双通道光强比值随液体折射率增大呈线性变化，实现高集成度的光学双通道折射率传感。
实施例2
如图2所示，相对于实施例1不同的是，包括多个权利要求1所述的天线周期，按照横向、纵向平行排布。
实施例3
如图1所示，传感探头由刻蚀在二氧化硅衬底上的如实施例1天线或实施例2天线阵列构成。
实施例4
如图1所示，一种集成光学双通道折射率传感器，包括第一探测器、第二探测器、半导体激光器、实施例3所述的传感器探头，半导体激光器位于天线正下方将激光照射在天线或天线阵列，天线或天线阵列产生±1级衍射级次，构成了折射率传感的两个通道，分别利用第一探测器和第二探测器探测两个通道的光强，对比两个通道光强对液体折射率的差异性响应实现折射率的双通道传感。
实施例5
本发明利用周期性纳米金属结构阵列的±1级衍射级次作为折射率传感的两个通道。传感器的结构如图1所示，激光照射在激光探头上能够产生±1级衍射级次，构成了折射率传感的两个通道。分别利用探测器1和2探测两个通道的光强，通过对比两个通道光强对液体折射率的差异性响应实现折射率的双通道传感。
传感探头由刻蚀在二氧化硅(SiO2)衬底上的超薄纳米金属天线阵列构成，纳米金属天线阵列由厚度均为50nm两种纳米金构成，如图2所示，其中放大图为纳米金属天线阵列的一个周期，其中第一/二种纳米金属天线从左到右依次逆(或顺)时针旋转180°/n，n(n≥3)为每种天线在一个周期内的个数；，两种纳米金属天线分别采用棒状和工形结构，且上下两种纳米金属天线的长轴相差θ角。纳米金属天线阵列能够通过电子束曝光、离子束刻蚀等成熟的纳米加工工艺实现，且价格相对低廉。
相同结构的纳米金属天线在x方向构成了梯度光栅，梯度光栅的方法能够产生强的自旋轨道耦合使不同的自旋分量发生空间分离，在±1级得到不同的自旋分量，如图3所示。该传感探头利用两种不同结构的纳米天线构成，两个测量通道(即±1级衍射级次)的电场由不同类型纳米金属天线(A和B)辐射的相同自旋分量叠加而成，两个通道的电场分别表示为：
其中，A和B分别代表两种纳米光学天线的极化强度；[1，±i]分别代表不同自旋分量的基矢，即对应于左/右旋圆偏振；φ±1分别对应±1级衍射级次两种纳米光学天线辐射场之间的相位差，分别表示为：
φ-1＝-2θ+Ω(n)
φ+1＝2θ+Ω(n)
其中±2θ表示自旋轨道耦合引起的相位差，属于几何相位，它只与上下两行天线之间的夹角θ有关，而Ω(n)表示A/B两种天线辐射场与液体折射率n相关的相位差，属于动力学相位，它是由两种纳米金属天线结构不同使其电场极化对外界环境的不同响应引起的。通过合理地设计参数(A，B，θ)，±1级衍射级次的电场强度随Ω(n)的变化趋势相反。从而使两个测量通道光强随液体折射率的差异性响应，从而使双通道光强比值随液体折射率增大呈线性变化，实现高集成度的光学双通道折射率传感。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于自旋轨道耦合的集成光学双通道折射率传感器天线，其特征在于：包括两种纳米金属天线，每种天线构成周期性阵列，第一/二种纳米金属天线在一个周期内从左到右依次逆时针或顺时针旋转180°，n为每种天线在一个周期内的个数，n≥3；第一种为棒状天线，第二种为工形结构天线，且上下两种纳米金属天线的长轴相差一定角度。
2.根据权利要求1所述的基于自旋轨道耦合的集成光学双通道折射率传感器天线，其特征在于：相同结构的纳米金属天线在x方向构成了梯度光栅，梯度光栅的方法能够产生强的自旋轨道耦合使不同的自旋分量发生空间分离，在±1级得到不同的自旋分量。
3.根据权利要求1或2所述的基于自旋轨道耦合的集成光学双通道折射率传感器天线，其特征在于：两种不同结构的纳米天线构成，两个测量通道，即±1级衍射级次的电场由不同类型纳米金属天线A和B辐射的相同自旋分量叠加而成，两个通道的电场分别表示为：
其中，A和B分别代表两种纳米光学天线的极化强度；[1，±i]分别代表不同自旋分量的基矢，即对应于左/右旋圆偏振；φ±1分别对应±1级衍射级次两种纳米光学天线辐射场之间的相位差，分别表示为：
φ-1＝-2θ+Ω(n)
φ+1＝2θ+Ω(n)
其中±2θ表示自旋轨道耦合引起的相位差，属于几何相位，它只与上下两行天线之间的夹角θ有关，而Ω(n)表示A/B两种天线辐射场与液体折射率n相关的相位差，属于动力学相位，它是由两种纳米金属天线结构不同使其电场极化对外界环境的不同响应引起的，通过设置参数(A，B，θ)，±1级衍射级次的电场强度随Ω(n)的变化趋势相反。
4.一种集成光学双通道折射率传感器天线阵列，其特征在于：包括多个权利要求1所述的天线周期，按照横向、纵向平行排布。
5.一种集成光学双通道折射率传感器探头，其特征在于：由刻蚀在二氧化硅衬底上的如权利要求1-3任一所述的天线或权利要求4的天线阵列构成。
6.一种集成光学双通道折射率传感器，其特征在于：包括第一探测器、第二探测器、半导体激光器、权利要求5所述的传感器探头，半导体激光器位于天线正下方将激光照射在天线或天线阵列，天线或天线阵列产生±1级衍射级次，构成了折射率传感的两个通道，分别利用第一探测器和第二探测器探测两个通道的光强，对比两个通道光强对液体折射率的差异性响应实现折射率的双通道传感。
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